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氟喹诺酮类物质(Fluoroquinolones,FQs)作为常用的抗生素药物,通过医疗卫生和畜禽水产养殖行业的持续广泛使用,随着污水、粪便及污水处理污泥进入自然环境而被频繁检出,诱导土壤环境微生物、动物及人体内细菌抗药性的产生,并干扰动植物个体正常的生理机能,通过食物链影响生态系统平衡和人类健康,作为新兴污染物而引起广泛关注。医疗废水、制药废水和畜禽养殖废水中高浓度的FQs对污水处理设施生化单元的微生物群落形成高强度选择性压力,导致去除效率低下。芬顿、臭氧、光催化等高级氧化技术的降解较为彻底,但存在着药剂消耗量大、能耗及运行费用高的问题。本文基于FQs分子结构与物质特性的关系,立足于从源头控制和减缓FQs的不利环境效应,为新兴污染物特别是药物化合物环境污染的源头防控提供理论借鉴。首先通过构建功能特性(细菌遗传毒性)和环境特性(光解、生物富集性)的定量构效关系模型,揭示有利于物质特性改善的分子结构修饰信息,以此指导设计了功能特性改善且兼具环境友好性的FQs衍生物。利用量子化学计算方法推断FQs光敏化反应路径及机理,借助分子对接方法考察FQs及其衍生物与DNA拓扑异构酶及两者复合物之间的结合能力,分析生物富集性和细菌遗传毒性的差异性及作用机理,在分子生物学层面对修饰方法进行效果验证,并通过耦合定量构效关系模型和因子分析的方法探究了 FQs各类分子参数对细菌遗传毒性的影响程度,拓宽获取分子修饰指示信息的途径。最后对FQs衍生物在生物体内代谢、光解、微生物降解和氯化消毒过程的转化路径及降解产物进行了推断,通过考察降解产物较母体衍生物遗传毒性的变化,分析其潜在的环境风险,开阔了环境友好型衍生物的筛选思路。主要研究内容及结果如下:1、利用CoMFA和CoMSIA两种方法构建FQs分子结构与光解半衰期logt1/2的光降解性3D-QSAR模型,通过三维等势图分析获取有利于光解半衰期t1/2缩短的分子修饰指示信息。以环丙沙星CIP为模板分子,在哌嗪环的C-13位置引入修饰基团得到9种光解性提高的CIP衍生物,借助遗传毒性3D-QSAR模型预测,发现在光解特性改善的同时功能特性不降低。通过量子化学计算CIP光敏化反应路径的能垒和反应热,发现芳香环羟基化是主要的反应类型,氧化脱羧反应最难发生,哌嗪环断裂发生的可能性最大。CIP衍生物在光解半衰期t1/2缩短的同时,光解反应哌嗪环断裂所需的能垒也有所降低。通过考察与白腐真菌漆酶的结合能力,发现CIP及其衍生物在光解后均生成生物降解性提高的产物,其中经哌嗪环断裂得到的产物最为显著。2、利用CoMSIA方法构建FQs分子结构与辛醇-水分配系数Kow的生物富集性3D-QSAR模型,通过三维等势图分析获取有利于生物富集性降低的分子修饰指示信息。以那氟沙星NAD为模板分子,在C-3位和C-18位分别开展单、双取代得到23种NAD衍生物,之后借助QSAR模型和分子对接预测评价细菌遗传毒性、光解性及其与细菌DNA拓扑异构酶的结合能力,最终筛选出13种低生物富集性、高遗传毒性和光降解性基本保持的衍生物。采用分子对接方法考察NAD及衍生物与细菌DNA拓扑异构酶的相互作用,推断生物富集作用的差异性与作用位点处参与氨基酸残基的疏水性能、衍生物中亲水基团和周围游离水分子之间的作用键长有关。3、利用PLS方法构建FQs分子拓扑结构信息与鼠伤寒沙门氏菌(革兰氏阴性菌)遗传毒性(功能特性)的HQSAR模型,通过活性贡献图分析获取有利于遗传毒性增强的分子修饰指示信息。在C-7号位引入修饰基团得到35种FQs衍生物,之后借助QSAR模型和分子对接方法预测评价光解性、生物富集性及其与细菌遗传毒性作用靶点——DNA-拓扑异构酶复合物的结合能力,最终筛选出4种杀菌效果显著提升且兼具环境友好性的FQs衍生物。利用分子对接方法考察氨氟沙星AMI及其衍生物与肺炎链球菌拓扑异构酶Ⅳ-DNA复合物的相互作用,发现精氨酸ARG、天冬酰胺ASN、天冬氨酸ASP、亮氨酸LEU是参与作用的主要氨基酸种类,其亲水性对结合起重要影响;静电作用方式强于范德华力作用,参与静电作用的氨基酸使用频率的增加有利于两者结合能力的增强。4、耦合2D-QASR模型与因子分析两种方法考察4类32种FQs分子参数(包括电子参数、理化参数、谱图参数和几何参数)对细菌遗传毒性的影响,发现代表分子临界温度的沸点(Boiling Point,BP)、临界温度(Critical Temp,CT)、能隙值(Energy gap,EG)参数和代表分子内部结构的立体效应参数(steric parameter,MR)、分子量(Molecular Weight,Mol Wt)、红外 C-O 键伸缩振动频率(IRC-O stretching vibration frequencies,IR-(C-O)svf)参数均起主要影响作用,可为FQs细菌遗传毒性的分子设计及修饰提供指示信息。5、对本文所设计的6种FQs衍生物在生物体内代谢、自然光解、微生物降解和氯化消毒过程的转化路径及产物进行了推断,利用HQSAR模型预测分析转化产物较其母体衍生物遗传毒性的变化,发现除氯化消毒产物普遍降低外,其他三个降解过程的部分产物出现升高现象进而存在潜在的环境风险。